抽水泵站金属结构运行安全与管理风险研究

张晓凌

(陕西省延安市志丹县地下水监督监测管理站，陕西 延安 717500)

塬面土地资源丰富，往往贫水干旱，河谷下切，土高水低，为解决水土资源平衡，兴建水库抽水站灌溉非常必要，多数大中型抽水泵站建成投运几十年来，发挥了较好的经济和社会效益，但超过了设计使用年限，超期服役增加了运行安全风险，严重影响了工程效益，开展工程现状调查与运行安全评估、计算分析压力钢管等金属结构的强度，科学指导维修管护，确保工程运行安全，加强管理风险防控。

1 工程实例

胜利水库灌溉抽水泵站，澄城县寺前镇政府，副科级事业建制，企业化运营管理，现有编制8人，分一、二、三级管理站。泵站年均运行台时3 000 h，总抽水量60.96万 m3，年耗能55万 kw·h。

现场调查工程管理设施简陋，管理手段落后，管理人员通过多年的运行摸索具有一定的管理经验。管理站制定有泵站运行、维护、检修、安全等技术规程和规章制度，距离《泵站技术管理规程》(SL255-2000)的规定还有一定的差距。每年3月份春灌前进行一次大检查活动，主要检查渠道、各水工建筑物及各机泵电气设施的完好状况。各个管理站建立有简单的运行记录。

各泵站存在主要问题：进、出水管锈蚀、穿孔，法兰片变形，螺杆丝扣锈坏，时常发生爆管事件。阀体锈蚀严重，胶垫老化漏水，丝杆和阀板磨损，启闭困难，启闭过程有卡阻、振动现象、异响明显，特别是逆止阀阀体早已水锤冲烂，失去作用，无法关闭影响抽真空，已影响正常运行。

综上所述，3座泵站的金属结构破损、漏水严重，安全状态差，存在影响安全运行的重大缺陷或事故隐患，急待更新改造。

2 金属结构复核计算分析与评价

胜利水库抽水站金属结构主要有各类阀门、压力管道、拦污栅等。阀门等锈蚀更换，本次研究重点进行计算压力钢管的结构应力、水锤和稳定分析。

2.1 计算公式

2.1.1 结构计算

依据埋藏式圆形压力钢管的结构应力分析和稳定分析原理。在均匀地质情况下，钢管承受内压时，计算公式采用《工业金属管道设计规范》(GB50316-2000)中的公式。

(1)

tsd=ts+C

(2)

C=C1+C2

(3)

式中：ts为直管计算厚度，mm；P为设计压力，MPa；D0为管子外径，mm为在设计温度下材料的许用应力，MPa；Ej为焊接头系数；tsd为直管设计厚度，mm；C为厚度附加量之和，mm；C1为厚度减薄附加值，包括加工、开槽和螺纹深度及材料厚度负偏差mm；C2为腐蚀或磨蚀附加量，mm；Y为系数。

2.1.2 构造要求

计算公式采用《泵站设计规范》(GB50265—2010)7.3.11公式。

管壁最小厚度，除满足结构分析要求外，还需满足构造要求，一般不宜小于：

(4)

式中：δ为管壁厚度，mm；D为钢管内径，mm。

2.1.3 附加厚度

按《水电站压力钢管设计规范》(SL281-2003)6.1.6条及《火力发电厂汽水管道设计技术规定》规定，管壁厚度应考虑管道壁厚负偏差的附加值和腐蚀裕度，其中负偏差附加值取1 mm，腐蚀裕度取2 mm。

2.2 工况选择

胜利水库3座抽水站钢管均为地埋式，本次复核计算着重选取了泵后输水干管压力较高段钢管作为复核对象。其中一级泵站扬程略小，按特殊组合中的水压试验工况对钢管进行壁厚复核验算。二、三级泵站扬程较大，按特殊组合中的校核运用Ⅰ工况工况对钢管进行壁厚复核验算。

2.3 计算结果

计算结果见表1。

表1 压力钢管复核结果表

2.4 水锤复核计算

3座抽水站中二级泵站扬程最高，选取二级泵站进行水锤复核计算。计算的方法采用简易计算法中的较常用的帕马金水锤计算曲线法，假设泵后不设止回阀。所用到的计算公式如下所示：

(5)

式中：a为水锤波传播速度，m/s；k为水弹性模量，2.06×109Pa；E为管材性模量，20.6×1010Pa；D为输水干管公称直径，600 mm；δ为管倒壁厚，5.2 mm。

(6)

式中：2ρ为管道常数，无因次数，代表单位额定水头下，该管系最大压力增值； V0为水泵额定流量下管中流速，1.73 m/s；H0为水泵额定工况下的扬程，91.5 m；g为重力加速度，9.81 m/s2。

(7)

式中：K为水泵机组转子的惯性系数，s-1；n0为水泵额定转速，300S-90型泵额定转速为1 480 r/min；Q0为额定工况下水泵流量，0.488 m3/s；H0为额定工况下的水泵扬程，91.5 m；η0为额定工况下的水泵效率，77%；GD2为机组转动部分的飞轮惯量，N·m2，可近似取电机的GD2(本项目取1 765.8)，如计入泵时，在加大10%～20%。

根据以上公式及现有基础资料，可以计算得到相关参数，并查帕马金水锤计算曲线即可得到二级泵站的水锤复核计算结果见表2。

表2 二级泵站水锤复核计算结果表

2.5 计算结果评价

由计算结果可知：(1)泵站不设止回阀时，最大停泵水锤压力为正常工作压力的1.3倍。这个压力不会导致泵壳的破裂事故，但由于管道被不断侵蚀，壁厚变薄，存在一定的运行风险。

(2)水泵最大反转速度为正常转读的1.37倍，这是比较大的。泵后需要设置安全可靠的两阶段关闭阀门。

(3)在突然断电后，输水管线的一部分处于负压状态，为了防止在管道中出现水柱拉断现象，应采用补气或补水措施，以消除负压。

3 结语

泵站压力钢管原设计壁厚满足规范要求，经过几十年运行，进、出水钢管已锈蚀严重，氧化层呈片状剥落，管壁变薄，部分有严重蚀坑。由计算结果可知，3座站钢管现状壁厚已小于计算壁厚，现状不满足规范要求。再考虑到整体强度降低，锈蚀及密封老化漏水，安全性差，符合《水利水电工程金属结构报废标准》等相关规范和要求，因此压力钢管评定为四类、阀门构件等评定为四类设备，建议拆除重建。基于管理与风险防控，依据分析计算成果，压力钢管按原设计重建，改造后泵后支管设安全可靠的逆止阀、两阶段关闭的工作阀及检修阀门，增设起重行车、拍门和拦污栅，方便运行检修。